Materialforschung Zweidimensionale keramische Kristalle mit besonderen Eigenschaften

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Neben Graphen rücken auch andere zweidimensionale Materialien in den Fokus der Forschung. Empa-Wissenschaftler beschäftigen sich mit den so genannten MXenen. Die vielseitige Materialgruppe eignet sich für unterschiedlichste Anwendungen, von der Energiespeicherung bis zur Medizin.

Zweidimensionale Materialien, die nur aus einer einzigen Schicht an Atomen bestehen, sind Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte. Die Zweidimensionalität verleiht ihnen viele vorteilhafte Eigenschaften, sei es in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit oder die mechanische Robustheit und kann zu besonderen quantenphysikalischen Effekten führen. Das wohl bekannteste zweidimensionale Material ist Graphen, eine Form des Kohlenstoffs. Aber es ist nicht das einzige. Ein aufsteigender Stern am 2D-Himmel trägt den Namen MXene (sprich „Maxene“).

Im Gegensatz zum Graphen, das nur aus Kohlenstoffatomen besteht, können MXeneeines oder mehrere Übergangsmetalle in Kombination mit Stickstoff oder Kohlenstoff enthalten. Hergestellt werden sie aus so genannten MAX-Phasen: keramischen Kristallen, die einen schichtförmigen Aufbau haben – „ein bisschen wie eine Lasagne“, vergleicht Empa-Forscher Jakob Heier. Durch die Zugabe einer starken Säure werden die Zwischenschichten herausgeätzt. Die verbleibenden Schichten, die nun nicht mehr chemisch verbunden sind, werden im Ultraschallbad voneinander getrennt – und fertig sind die MXene.

Kombination verschiedener Elemente macht MXene interessant

Für die Forschung ist die neuartige Materialklasse besonders interessant, denn: „Dadurch, dass die MAX-Phasen aus so vielen verschiedenen Elementen und Kombinationen davon bestehen können, lassen sich maßgeschneiderte MXene für zahlreiche Anwendungen herstellen“, erklärt Heier. Noch sind die potenziellen Alleskönner, die erst vor rund 15 Jahren entdeckt wurden, allerdings weder weit verbreitet noch gut verstanden. Eine Forschungsinitiative der Empa unter Heiers Leitung hat zum Ziel, das zu ändern.

Die Forschungsinitiative „TailorX“ ist ein so genannter „Research Booster“, bei dem mehrere Forschungsgruppen innerhalb der Empa zusammenarbeiten, um ein aufstrebendes Thema während zwei Jahren gründlich zu beleuchten und als Forschungsrichtung zu etablieren. So forschen an den MXenen Wissenschaftler aus gleich vier verschiedenen Laboren der Empa: „Funktionspolymere“, dem auch Jakob Heier angehört, „Hochleistungskeramik“, „Building Energy Materials and Components“ sowie „nanotech@surfaces“.

Der ganzheitliche Ansatz lohnt sich, denn: „Wir decken die gesamte Bandbreite ab, von der Grundlagenforschung und Modellierung über die Herstellung von MAX-Phasen und MXenen bis hin zu den Anwendungen“, so Heier. „Es ist eine große Stärke der Empa, dass all diese Kompetenzen an einem Institut zusammenkommen.“

Komplexe Synthese der Ausgangskristalle

Das Projekt wurde 2024 gestartet und neigt sich dem Ende zu. Die Mitinitiatoren sind mit den Resultaten zufrieden. „Wir haben nun ein großes Portfolio an unterschiedlichen MAX-Phasen, die wir mit einem hohen Reinheitsgrad synthetisieren können“, sagt Michael Stuer vom Labor für Hochleistungskeramik. Die Synthese der Ausgangskristalle ist nämlich nicht ganz einfach; es reicht nicht, bloß die gewünschten Elemente in den richtigen Proportionen miteinander zu mischen. „Durch ein besseres Verständnis der Synthese konnten wir zahlreiche MAX-Phasen von unterschiedlicher chemischer Komplexität synthetisieren, die noch nicht auf dem Markt erhältlich sind“, führt Stuer aus.

Unterstützung bekamen die Synthese-Fachleute vom Labor „nanotech@surfaces“, dessen Forschende unterschiedliche KI-Modelle für die MAX-Phasen und MXene entwickelt haben. Damit lassen sich die Synthese der Phasen und ihre individuelle Geometrie vorhersagen und verstehen. Die Modellierung ist aber auch für die Anwendung der MXene zentral, denn: „Wir entwickeln zurzeit ein Modell, das die Interaktion von MXenen mit CO₂ beschreibt“, sagt „nanotech@surfaces“-Forscher Cesare Roncaglia.

Schwerpunkt: Absorption und Umwandlung von Kohlendioxid

Die Absorption und Umwandlung von Kohlendioxid ist ein Schwerpunkt bei den möglichen Anwendungen für die MXene. Dank ihrer großen Oberfläche können die 2D-Materialien potenziell CO₂ aus der Luft „einfangen“ – und auch dabei helfen, es in nutzbare Rohstoffe umzuwandeln, ganz im Sinne der groß angelegten Forschungsinitiative der Empa „Mining the Atmosphere“.

Damit ist das Potenzial der MXene indes nicht ausgeschöpft. Die vielseitigen 2D-Nanoteilchen könnten auch in der breiteren Katalyse, in der Energiespeicherung oder in der Sensorik zur Anwendung kommen. Und sogar in der Medizin: Dort versprechen bestimmte MXene antimikrobielle Wirkung oder gezielte Krebstherapie. In diesem Sinne untersuchen die Projektbeteiligten gemeinsam mit Forschenden der Empa in St. Gallen auch ihre Wirkung auf lebende Zellen sowie auf die Umwelt.

Umweltverträglich und skalierbar

Bei der Umweltverträglichkeit steht auch die Herstellung der MXene im Fokus. Um sie aus den MAX-Phasen zu ätzen kommen nämlich in der Regel stark ätzende Säuren zum Einsatz. Das ist nicht nur gefährlich für den Mensch und belastend für die Umwelt, sondern auch kostspielig. „Der Ätzprozess ist mit ein Grund, warum erst wenige MXene kommerziell erhältlich sind“, weiß Shanyu Zhao aus dem Labor „Building Energy Materials and Components“. Im „TailorX“-Projekt haben er und sein Team nicht nur an den Anwendungen und der Charakterisierung der MXene gearbeitet, sondern auch eine alternative „grüne“ Methode zu ihrer Exfoliation aus der MAX-Phase entwickelt. „Unser Prozess verzichtet auf die aggressive und gefährliche Flusssäure und ist zudem effektiver und schonender, was ihn sowohl nachhaltig als auch skalierbar macht“, so Zhao.

Das Ende des „Research Booster“ ist für die Forschenden nun der Anfang ihrer Arbeit mit den vielseitigen 2D-Materialien. Sie haben bereits weitere Projekte gestartet, bei denen es darum geht, die MXene in unterschiedlichste Anwendungen zu bringen, beispielsweise in leistungsstarke Superkondensatoren, neuartige Batterien, elektromagnetisch isolierende Aerogele und medizinische Sensoren. Gleichzeitig geht aber auch die Grundlagenforschung an der jungen Materialklasse weiter. „Mit ihrer Flexibilität und Anpassbarkeit bieten MXene so große Vorteile, dass die Anwendungen nicht mehr lange auf sich warten lassen“, ist Jakob Heier überzeugt.

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